Réalisation et étude expérimentale d’un nouveau séparateur triboélectrique à électrodes plaques immergées dans le mélange de particules fines

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DJILLALI LIABES DE SIDI-BEL-ABBES Faculté de Génie Electrique

Département d'Électrotechnique

Thèse présentée par :

BRAHAMI YOUSSOUF

Pour l'obtention du diplôme de :

Doctorat 3

ème

cycle en Électrotechnique

Option : Réseaux électriques Intitulé de la thèse :

Devant le jury composé de :

Président : Dr. Hadjeri Samir Professeur UDL Sidi Bel Abbès

Directeur de thèse : Dr. Tilmatine Amar Professeur UDL Sidi Bel Abbès Examinateurs : Dr. Zelmat Mohamed El Mouloud M.C.A USTO MB Oran

Dr. Miloudi Mohamed M.C.A UDL Sidi Bel Abbès

Laboratoire: Applications of Plasma, Electrostatics & Electromagnetic Compatibility APELEC

Soutenue en: 2016

Réalisation et étude expérimentale d’un nouveau séparateur

triboélectrique à électrodes plaques immergées dans le mélange

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Avant tout je tiens à rendre grâce à DIEU qui nous a octroyé la raison qui place l’être humain au sommet du piédestal et qui le prédispose à domestiquer la nature à travers la science.

Cette thèse est le fruit des années de travail, dans le domaine de l'électrostatique appliquée au sein du laboratoire APELEC « Applications of Plasma, Electrostatics & Electromagnetic Compatibility » à l’université Djillali liabes Sidi Bel Abbes. Quelques lignes sont trop courtes pour exprimer ma profonde reconnaissance pour mon directeur de thèse, Docteur Amar TILMATINE, professeur à l’université de Sidi Bel Abbes.

Tout a commencé il y’a quelques années, quand il m’a encadré en Master, C’est lui qui m’a formé à la rigueur de la démarche expérimentale et aux exigences de la communication scientifique, en dirigeant aussi tous mes travaux, effectués au laboratoire. Ses conseils éclairés, ses encouragements constants et sa confiance sans faille ont été essentiels à notre succès au cours de toutes ces années de travail.

En outre, j’adresse mes remerciements les plus sincères au Professeur HADJERI Samir pour avoir accepté de présider le jury, tout comme j’adresse ma profonde reconnaissance aux Docteurs ZELMAT Mohamed El Mouloud et MILOUDI Mohamed pour avoir accepté d’examiner et d’évaluer ce modeste travail.

Mes remerciements à toute ma famille en particulier, je dois à mes parents, beaucoup de ce que je suis devenu. Je les remercie pour leur amour, leur soutien et leur confiance à travers les dernières 27 années. Mes parents ont toujours placé l'éducation comme la première priorité dans ma vie et m’ont incité à fixer des très hauts objectifs pour moi-même.

Mes amis: Merci à Salim, Said, Chamso, Adel, Mohamed, Aziz, Abdelhamid, Kadirou, Hakim, Larbi et Hammouda.

Je ne pourrais terminer sans avoir à remercier particulièrement mes collègues du laboratoire ainsi que tous ceux ou celles qui m’ont apporté leur soutien et en particulier Aicha et Djillali.

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Sommaire

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE 1

Chapitre I ETAT DE L’ART SUR LA SEPARATION

TRIBOELECTROSTATIQUE DES PARTICULES

Introduction 4

I-1 Matériaux DEEE et proportion des matériaux plastiques 4

I-2 Récupération et recyclage des câbles électriques 7

I-3 Triboélectricité 8

a- Définition 9

b- Historique 9

I-4 Mécanisme de transfert de charge 9

I-5 Série triboélectrique 10

I-6 Chargeurs triboélectriques 12

a- Dispositif de charge à cylindre rotatif 12

b- Lit fluidisé 13

c- Chargement par hélice (ventilateur) 14

d- Chargement par cyclone 14

e- Chargement par dispositif statique 15

f- Chargement par vibration (zigzag) 16

I-7 Forces exercées sur les matériaux granulaires 16

a- Forces de pesanteur 17

b- Forces de London-Van der Waals 17

c- Forces de Coulomb 18

d- Forces aérodynamiques 19

I-8 Séparateurs tribo-électrostatiques 20

a- Séparateur triboélectrique à chute libre 20

b- Séparateur triboélectrique à tapis roulant 22

c- Séparateur tribo-aéro-électrostatique à tambours transporteurs 23

d- Séparateur tribo-aéro-électrostatique à bandes transporteuses 23

e- Séparateur triboélectrique à deux disques 24

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Chapitre II

MATERIELS ET METHODES

INTRODUCTION 26

II-1 Description du séparateur triboélectrique à électrodes plaques 27

a- Moteur électrique 30

b-Système bielle manivelle 30

c- Electrodes haute tension 31

d- Lit fluidisé 31

II-2 Autres accessoires 32

a- Source Haute Tension 32

b- Souffleur 32 c- Électromètre 33 d- Balance 34 e- Thermo-hygromètre 34 f- Tachymètre 34 g- Cage de faraday 35

h- Capteur de charge PASCO 36

II-3 Caractérisation des produits utilisés 36

II-4 Principe de fonctionnement du dispositif 38

II-5 Mécanisme de charge triboélectrique 38

II-6 Procédure expérimentale 39

II-7 Procédure de déroulement des expériences de mesure de charge 42

a- Préparation des échantillons 42

b- Déroulement des expériences 42

II-8 Modélisation expérimentale par plans d’expériences 43

II-8-1 Développement de la méthode 43

A. Vocabulaire utilisé 43

A.1 Réponses, facteurs, niveaux 43

A.2 Variables codées 44

B. Plans composites 45

II-8-2 Logiciel MODDE 5.0 47

Conclusion 48

Chapitre III ETUDE EXPÉRIMENTALE PARAMÉTRIQUE DU

SÉPARATEUR À DEUX ELECTRODES PLAQUES EN

MOUVEMENT VERTICAL « VA-ET-VIENT »

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Sommaire

INTRODUCTION 49

III-1 Optimisation du procédé de séparation électrostatique 49

III-1-1 Analyse de l’efficacité de séparation 49

III-1-2 Expériences de criblage « un-facteur-à-la-fois » 50

a- Influence du champ et de la distance sur la récupération 50

b- Influence de la vitesse de rotation sur la récupération 53

c- influence de la fréquence du variateur 54

III-2 Identification du point de fonctionnement optimal 56

III-3 Analyse des résultats obtenus 58

III-4 Etude de la charge acquise 61

III-4-1 Analyse de la charge triboélectrique acquise 61

a- Influence de la configuration des électrodes 61

b- Influence de la masse totale 63

c- Influence du champ électrique 64

d- Influence de la fréquence 66

e- Influence de la composition de la masse 67

Conclusion 69

Chapitre IV ETUDE EXPERIMENTALE PARAMETRIQUE DU

SEPARATEUR EN MOUVEMENT HORIZONTAL «

VA-ET-VIENT »

INTRODUCTION 70

IV-1 Etude expérimentale 71

IV-1-1 Analyse de l’efficacité de séparation 71

IV-1-2 Expériences préliminaires 71

a- Choix de la configuration d’électrodes 71

c- Influence de champ électrique 74

d- Influence de la vitesse de rotation sur la récupération 75

e- Influence du débit d’air injecté 76

IV-2 Etude de la charge acquise 77

IV-3 Méthode de mesure de la charge électrique 78

a- Influence de la configuration des électrodes 78

c- Influence du champ électrique 81

d- Influence de la fréquence 83

IV-4 Etude expérimentale et comparaison entre deux processus de chargement des particules isolantes 84

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IV-4-1 Dispositifs de chargement tribo-électrique à lit fluidisé 85

IV-5 Procédure expérimentale 86

IV-5-1 Préparation des échantillons 86

IV-5-2 Déroulement des expériences 86

IV-6 Etude des paramètres de contrôle 87

IV-6-1 Influence du temps de chargement sur la charge acquise 87

IV-6-2 Influence du débit sur la charge acquise 88

IV-6-3 Influence de la composition du mélange 89

Conclusion 91

CHAPITRE V

ANALYSE DE LA PURETE

INTRODUCTION 92

V-1 Traitement d'images 92

V-2 Définition de l’image 92

a- Image Numérique 93

b- Caractéristiques d’une image numérique 93

V-3 Seuillage et Segmentation 94

V-4 Prélèvement des images 94

V-5 Méthodes d'analyse 96

V-5-1 Analyse par un programme écrit sous MATLAB 96

V-5-2 Méthode de Classification Knn 99

V-5-3 Logiciel Image J 100

V-6 Résultats et discussions 102

V-6-1 Echantillons des particules de taille micronisées 102

V-6-2 Echantillon de particules granulaires 106

Conclusion 110

CONCLUSION GENERALE 111

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INTRODUCTION GENERALE

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INTRODUCTION GENERALE

L’évolution très rapide des nouvelles technologies et l’augmentation des performances des équipements et appareils produisant des déchets composés de matériaux plastiques connaissent une forte croissance pendant des périodes très courtes, a réduit la durée de vie de ces équipements, chose qui a poussé le taux de déchets à s’accroître à un rythme alarmant. Donc le recyclage des déchets constitue un domaine prioritaire de recherche sur le plan mondial.

Le monde a produit 74 millions de tonnes de déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) en 2014 [19]. Quasiment tous ces équipements contiennent des matériaux pouvant être dangereux pour l’environnement ou la santé humaine (Figure1). C’est la raison pour laquelle ils doivent être collectés séparément et traités par des méthodes efficaces du recyclage.

Figure 1 : Composition des DEEE.

Les technologies électrostatiques se sont imposées comme la solution de choix pour le recyclage des matériaux isolants contenus dans ces déchets. D’autant plus que la séparation électrostatique est une technologie non-polluante, caractérisée par une faible consommation d’énergie.

La séparation des différent matériaux plastique granulaires et poudres représente aujourd’hui un important domaine d’application industrielle de l’électrostatique. Le tri des particules ayant des caractéristiques électriques différentes est produit par des forces qui agissent sur les objets chargés par un procédé adéquat et séparées par un champ électrique assez intense. Ces conditions permettent d'assurer la bonne pureté ainsi qu’un bon rendement.

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2

Afin de répondre aux besoins de l’industrie du recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques, le principal objectif de cette thèse est de mettre au point un procédé utilisant l’effet triboélectrique pour assurer la charge sélective des particules fines de plastique et les forces du champ électrique pour les séparer en fonction de leur nature, améliorer les techniques de séparation électrostatique actuelles et de proposer des solutions fiables aux entreprises industrielles.

Pour cela la thèse est organisée en cinq chapitres. Le premier chapitre, décrit l’effet triboélectrique ainsi que les dispositifs de chargement triboélectrique réalisés au sein des laboratoires APELEC et IRECOM de l’Université Djillali Liabes de Sidi Bel Abbes. Par ailleurs, quelques éléments théoriques généraux sur l’électrostatique sont également présentés concernant, notamment, les séparateurs tribo-électrostatiques.

Le second chapitre, traite la conception et la réalisation du nouveau séparateur triboélectrique à deux électrodes plaques en mouvement avec un dispositif de chargement à base d’un lit fluidisé. Une des grandes difficultés de la séparation électrostatique est le choix du mode de chargement des particules. L’acquisition de charge par un lit fluidisé a l’avantage d’être une méthode simple à mettre en œuvre et surtout d’assurer une bonne solution viable. Ainsi le matériel et les méthodes expérimentales utilisées dans cette thèse sont présentés. Ce chapitre s’appuie donc sur le choix des paramètres. Pour cette raison la méthode des plans d'expériences a été appliquée.

Le troisième chapitre, est consacré à l’étude expérimentale du séparateur à deux électrodes plaques en mouvement vertical. Cette étude concerne les expériences préliminaires de la récupération en variant tous les paramètres chacun à part, ainsi que l’étude de la charge massique acquise par les particules après séparation. D’un autre côté, plusieurs expériences de séparation effectuées sur des échantillons de mélanges de particules micronisés de PVC blanc et PVC gris pour l'identification du point optimal d'un processus de ce procédé de séparation tribo-électrostatique sont présentées.

Le quatrième chapitre contient une étude expérimentale du séparateur à deux électrodes plaques en mouvement horizontal après modification pour faciliter la récupération des matériaux des deux électrodes après séparation. Cette étude concerne les expériences préliminaires de la récupération en variant tous les paramètres chacun à part, ainsi que l’étude de la charge massique acquise par les particules après séparation. D’un autre côté, une comparaison entre deux processus de chargement à base d’un lit fluidisé, à deux parois

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INTRODUCTION GENERALE

3

différentes, une transparente en plexiglas et l’autre métallique en aluminium, a fait l’objet de plusieurs expériences pour mesurer la charge de particules micronisés et connaître les effets des différends facteurs influençant l'efficacité du processus de chargement en lit fluidisé.

Le cinquième chapitre, est consacré à l'analyse de la pureté des différents matériaux granulaires utilisés dans la séparation. L'analyse est faite en se basant sur le traitement d'image. Les images sont prises par un microscope optique et une caméra à haute résolution

pour l'analyse deux méthodes sont utilisées : la première est un programme écrit sous MATLAB. Pour que notre travail soit clair et approuvé, une autre méthode est utilisée, avec un logiciel appelé (Image J). Cette méthode est utilisée pour la confirmation et la validation.

L’objectif du travail effectué est de déterminer le pourcentage de deux produits dans un mélange millimétrique ou bien micrométrique, composé de particules homogènes (même taille) et dont les couleurs sont différentes dans le but d’augmenter l'efficacité des systèmes de séparation.

La conclusion générale, fournit un bilan des travaux réalisés et précise les perspectives ouvertes par cette thèse.

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4

Chapitre I : Etat de l’art sur la séparation triboélectrostatique des

particules

Introduction

Le recyclage des polymères : technique issue de Déchets d'Equipements Electriques et Electroniques (DEEE) est une stratégie importante pour l'utilisation durable des ressources naturelles [1-3]. D'une grande diversité, le volume des DEEE connaît une forte croissance liée à un taux d'équipement de plus en plus élevé et à l'obsolescence due à l'évolution très rapide des performances technologiques. C’est pour cela que le problème de la récupération et du traitement des équipements informatiques en fin de vie est devenue une préoccupation majeure pour toutes les entreprises qui travaillent dans ce secteur.

Séparation électrostatique [4] est le terme générique pour une classe importante de technologies de traitement des matériaux, largement utilisées pour le tri sélectif des matériaux solides par des forces électriques qui agissent sur les particules chargés ou polarisées [5-6]. Dans la plupart des cas, les champs électriques de l'ordre de 106 Vm-1 sont nécessaires [7-9], c'est pourquoi le développement des technologies et des équipements de séparation électrostatique a toujours été synchronisé avec les progrès de l'ingénierie de haute tension [10].

La gamme d'application, se traduisant par des centaines de brevets, s'étend de traitement des minérales et de conditionnement des semences [11] jusqu’au recyclage des métaux et plastiques à partir de déchets industriels [9-12-13].

Selon les dernières statistiques, les équipements électriques et électroniques connaissent une forte croissance (+25% entre 2000 et 2005), avec une proportion de plastiques qui augmente dans cette même période (30%) [1-2].

I-1 Matériaux DEEE et proportion des matériaux plastiques

Les Equipements Electriques et Electroniques regroupent tous les objets ou les composants d’objets qui fonctionnent grâce à des courants électriques ou électromagnétiques. À l’heure du tout électrique, ils sont présents dans les habitations (télévision, robot de cuisine), les lieux de travail (ordinateurs, téléphones), les véhicules (autoradio) ou tout simplement dans les poches (téléphones portables, appareils photos)... Ce sont par exemple les gros appareils ménagers (réfrigérateur, cuisinière, machine à laver), les petits appareils ménagers (rasoir, machine à café, grille-pain), les équipements informatiques et de

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Chapitre I: Etat de l'artsur la séparation triboélectrostatique des particules

5 télécommunications (ordinateur, console de jeux, baladeur), le matériel grand public (radios, téléviseurs, jouets et câbles informatiques et électriques, lecteur DVD, magnétoscope, réveil), les outils électriques et électroniques (perceuses, tondeuses électriques).

Un EEE devient un DEEE dès lors que son propriétaire l’a abandonné ou le destine à l’abandon parce qu’il n’en a plus l’utilité. Dans une société où le taux d'équipement est de plus en plus élevé et où les produits sont très rapidement obsolètes avec l'évolution rapide des technologies, les quantités de DEEE s’accroissent de 3 à 5% par an. Plus de 50 % de ces déchets sont issus des ménages, ce qui représente 14 kg/hab/an et d’ici 10 ans, leur volume devrait avoir doublé [14].

Les DEEE professionnels concernent les équipements spécifiques à des activités industrielles et commerciales comme les distributeurs de billets de banque ou les appareils à carte bleue, et des EEE assimilés aux ménagers mais dont les quantités sont importantes à l’instar des parcs informatiques. Dans cette famille d’équipements (figure I-1), on distingue plusieurs catégories de produits, avec des taux et des types de plastique différents [15-16] :  les produits blancs (lavage, cuisson, conservation) dont le gros électroménager froid

(24% de plastiques), le gros électroménager hors froid (12% de plastiques), le petit électroménager (20% de plastiques).

 les produits bruns : l’audiovisuel (22% de plastiques).  les produits gris : informatique et bureautique.

 les lampes.

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6 Le graphique I-2 présente la ventilation des tonnages d’équipements ménagers traités en 2010 par type de traitement.

Figure I-2: Ventilation des tonnages d’équipements ménagers traités en 2010 [16]

Vu la pollution qu’elle constitue d’un côté et vue les prix exorbitants des hydrocarbures qui ne cessent d’augmenter d’un autre côté, le recyclage des DEEE est le principal mode de traitement (80 % des tonnages en 2010 contre 75 % en 2009) alors que 13 % des tonnages ont été détruits en 2010 sans valorisation (contre 16 % en 2009).

Beaucoup de travaux sont menés pour déterminer et mettre au point des techniques de valorisation des DEEE les mieux adaptées, La récupération et le recyclage de ce type de déchets constitue actuellement une grande importance dans notre vie quotidienne. Cette opération de récupération nécessite l’emploi de différentes techniques et procédés de tri, parmi elles, on cite :

 séparation chimique, le tri automatique simple ou à plusieurs étages.

 méthodes préalables de désassemblage pour constituer des lots plus homogènes. La principale caractéristique des plastiques contenus dans les DEEE est la dominance des produits tels que le PC, l’ABS, l’ABS-PC et le HIPS représentant plus de 70% du contenu total des matières plastiques dans ces déchets (figure I-3) [15-16].

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7 Figure I-3: Proportion des différents constituants des déchets plastiques

I-2 Récupération et recyclage des câbles électriques

Ce type de déchets est considéré comme l’un des plus répondu et des plus rentables après son recyclage. Il est généralement constitué de mélanges de différentes sortes de métaux, plastiques, caoutchouc. Ces mélanges sont disponibles en deux catégories : la première est constituée de produits propres et homogènes et la deuxième englobe des composants contaminés avec de la poussière, huile, graisse….ce qui rend la séparation plus difficile. Cependant, la majorité des câbles destinés pour le recyclage font partie de la deuxième catégorie qui généralement provient des activités de maintenance et de rénovation.

La dissociation mécanique du métal et du plastique, est assurée par une ou deux étapes de broyage, puis elle est suivie par une séparation magnétique destinée à l’élimination des contaminants ferreux. Ensuite, comme le poids spécifique et la forme des granules métalliques diffèrent des caractéristiques des granules isolants, les fractions de grande et moyenne taille peuvent être traitées par deux techniques : la première consiste en la séparation par différence de densité par rapport à une solution liquide (precipitation from solution) qui utilise des substances chères et toxiques, accompagnée par l’adsorption du liquide dans les granules isolants, et par conséquent la détérioration de leurs caractéristiques diélectriques, la deuxième est la plus utilisée, elle est employée par L’ENTREPRISE DE RECUPERATION DE L’OUEST (E.R.O ORAN), assurée par une séparation basée sur la différence de densité par rapport à l’air (air-gravity separation), elle repose sur les technologies pneumatiques caractérisées par de grandes consommations d’énergie et un faible recouvrement. Le matériau granulaire provenant du broyage de déchets des câbles électriques est soumis à un processus de concentration pneumatique et mécanique, en utilisant un tamis vibrant. Le produit de faible pesanteur considéré comme « déchet », contient presque en totalité des particules isolantes fines.

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8 L’organigramme présenté à la figure I-4, décrit les étapes suivies pour la collecte, le traitement et la récupération des produits extraits des câbles et fils électriques, que sont le métal et l’isolant [17] [18].

I-3 Triboélectricité

Les trois principaux procédés de charge d’un isolant sont :

1) le faisceau d’électrons où la charge est directement injectée, avec une certaine énergie, dans le volume du matériau.

2) la décharge couronne [19-20] : la charge est déposée sous forme d’ions positifs ou négatifs, et va également être transférée.

PRODUCTEURSETCONSOMMATEURS

de câbles électriques

DECHET INDUSTRIEL

«MELANGE» Déchet pré-application

COLLECTE ET ORGANISATION DU MATERIEL A TRAITER

BROYAGE

Mise à l’écart du produit non

recyclable

SEPARATION

 Séparation par différence de densité avec liquide

 Séparation par différence de densité avec l’air

 Séparation électrostatique

 Autres

Incinération _Recyclage

Tertiaire

Enfouissement Produit recyclé

Figure I-4: Traitement des déchets de câbles et fils électriques

Inputs : P roduit s à r ec yc ler Opé ra ti ons e ff ec tuée s pa r : R ec yc lage da ns les a telier s de s us ine s même s qui fa br iquent les c âbles 2. Unités s pé ciale s de tr ait ement de s dé che ts indus tr iels 3. C oll ec teur s de dé che ts ur ba ins Outputs : P roduit s fini s

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9 3) la triboélectricité : impliquant le transfert de charge entre deux corps en contact au niveau superficiel du matériau [21].

Afin de séparer les matériaux granulaires dans un champ électrique intense, les deux derniers mécanismes de chargement sont largement utilisés : l’effet couronne «bombardement ionique» et l’effet triboélectrique.

a- Définition

La triboélectricité du grec « tribein » qui signifie frotter, désigne le phénomène électrostatique par lequel lorsque l'on frotte deux matériaux de nature différente, une partie des charges de la surface de contact d'un des deux matériaux est transféré à l'autre, et ce transfert subsiste lors de la séparation.

b- Historique

Certains des travaux expérimentaux de la triboélectricité sont très anciens, comme l’électrisation de l’ambre frottée avec une étoffe (Thalès, septième siècle avant J.C).

L’étude qualitative débute au dix-septième siècle avec Gilbert, puis Boyle, qui appellent électricité la cause du phénomène. Au dix-huitième siècle on découvre l’électrisation des métaux tenus par un manche isolant, la transmission de l’électricité par contact, l’influence, etc. On construit des machines électrostatiques à triboélectricité.

I-4 Mécanisme de transfert de charge

Un des mécanismes physiques employés pour charger les matériaux en vue de leur séparation dans un champ électrique intense est l’effet triboélectrique, qui implique le transfert de charge entre deux corps en contact.

Lorsque deux matériaux différents sont mis en contact ils acquièrent des charges électriques dues au phénomène de tribo-électrisation.

D'après Harper (1967), les trois chemins fondamentaux dans lesquels la charge peut être transférée d’une substance à une autre est : i) par transfert de l'électron, ii) transfert de l'ion, et iii) transfert matériel figure I-5 [22].

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10 Figure I-5 : Mécanismes de transfert de charge :a) Transfert d'électrons; b) Transfert d'ions

La plupart des chercheurs ont supposé que la tribo-électrisation des isolants implique également le transfert d'électrons, mais les observations expérimentales semblent contredire ce point de vue. La tribo-électrisation des isolants n’est pas en corrélation avec les propriétés électroniques des matériaux, telles que la constante diélectrique, ou des propriétés atomiques, telles que l'énergie d'ionisation, affinité électronique, ou électronégativité [23].

I-5 Série triboélectrique

On appelle série triboélectrique une série de substances classées dans un ordre tel que lorsqu'on frotte l'une sur l'autre, celle qui précède l'autre dans le classement se charge positivement tandis que l'autre se charge négativement Figure I-6

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11 Figure I-6 : Liste de série triboélectrique

Ce classement n’est donc que très approximatif et l’ordre des différents matériaux peut varier sous l’influence de facteurs tels que : la rugosité de la surface, les forces de contact, le travail de sortie… En définitive ce diagramme n’est qu’un outil de comparaisons relatives entre les différents corps plutôt qu’une référence absolue. Les différents auteurs ne sont pas d’accord sur le classement des matériaux et il n’existe pas de série triboélectrique universellement reconnue. On trouvera différents exemples en bibliographie [24].

(Acquisition d’une charge positive) Plexiglas Asbeste Bakélite Verre Quartz Mica Nylon Laine Soie Aluminium Papier Coton Bois Ambre Nickel Argent Or, platine Acétate Polyester Polystyrène Acrylique Polyuréthane Polyéthylène Polypropylène PVC Téflon

(Acquisition d’une charge négative)

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12 I-6 Chargeurs triboélectriques

Plusieurs procédés d’acquisition de charge par effet triboélectrique peuvent être utilisés pour charger les particules afin de séparer les mélanges des particules.

La plupart des technologies de la séparation électrostatique sont basées sur les forces électriques qui agissent sur les corps chargées. Ce fait justifie les efforts continus vers l'amélioration des méthodes employées pour le chargement de matières granuleuses [25].

Au cours de ces dernières années, plusieurs tentatives ont été faites pour améliorer l'efficacité des technologies existantes, qui font usage aux appareils tribo-chargeurs en mode vibreur ou à cyclone. Le tribo-chargement des particules plastiques, qui est une solution de séparation électrostatique avant d’exposer les particules en chute libre à l’action des forces du champ électrique, a été déjà validée par l’industrie du recyclage [26].

Les cyclones et le lit fluidisé ont été développés pour servir comme appareils du tribo-chargeur. Ils sont plus fréquents et vraisemblablement la meilleure solution pour charger les particules par contact particule-particule et/ou les contacts du particule-mur, et le rehaussement de l'efficacité de la séparation [22].

Nombreux dispositifs de tribo-chargement destinés à la séparation des mélanges granulaires et particules fines ont été réalisés au sein de laboratoires IRECOM et APLEC, de l’université Djillali Liabes de Sidi Bel Abbes, dont :

a- Dispositif de charge à cylindre rotatif

Une méthode de chargement du cylindre tournant où les particules entrent d’un côté du cylindre et sortent de l’autre côté totalement chargé. Le matériau granulaire est mis en mouvement à l'intérieur d’un cylindre tournant, qui tourne à une certaine vitesse autour d’un axe horizontal ou légèrement incliné (Figure I-7). La charge accumulée par les particules est due aux collisions entre particules (mécanisme principal) et entre particules et paroi du cylindre (mécanisme secondaire) [23].

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b- Lit fluidisé

Le dispositif "lit fluidisé" est destiné pour le chargement triboélectrique des particules fines et de granule. Il est composé de deux parties : la chambre de fluidisation et un système d’injection d’air à l’aide d’une soufflante Figure I-7

Le mélange de particules est disposé dans la chambre de fluidisation dont les parois transparentes en plexiglas permettent l’observation de produit à séparer.

Un système d’injection d'air comprimé permet l'agitation des particules, qui entrent en collision entre eux et avec les parois de la chambre. De ceci résulte leur chargement par frottement.

Figure I-8 : Dispositif de chargements par lit fluidisé Figure I-7 : Dispositif de chargement par cylindre rotatif. Alimentation Particules chargée

Cylindre

Air comprimé Particules isolants (deux Matériaux différent) Boite pléxiglas

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14 c- Chargement par hélice (ventilateur)

Le dispositif est constitué d’un moteur à courant continu entrainant une hélice dans un cylindre en plexiglas de diamètre 10 cm et de hauteur de 35 cm voir (Figure I-9).

La rotation de l’hélice crée un courant d’air ascendant donnant naissance à des turbulences aérodynamique hélicoïdales multipliant les collisions des particules granulaires à l’intérieur du cylindre [27]. Le chargement de ces particules s’effectue par collision.

Figure I-9 : Dispositif de chargements par hélice.

d- Chargement par cyclone

Les particules qui vont pénétrer à l’intérieur du cyclone à l’aide d’un ventilateur se chargent par contact et frottement contre la paroi du cyclone. Les particules descendent vers le bas par le mouvement de l’air qui traverse le cyclone, vers la partie conique pour atteindre le fond. Puis, l’air ressort par une ouverture qui se trouve en haut tandis que les particules sortent par une ouverture en bas du cyclone. Enfin les particules se chargent totalement comme le montre la (Figure I-10) [28].

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15 Figure I-10 : Dispositif de chargements par cyclone.

e- Chargement par dispositif statique

Le dispositif de chargement statique est une enceinte parallélépipédique isolante (Figure I-11), y compris des parois inclinées et détachables. Les particules tombent en chute verticale et glissent dans ce dispositif par gravitation. Le chargement de ces particules s’effectue par frottement avec les parois [27].

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16 f- Chargement par vibration (zigzag)

Une autre solution pour charger les particules est donnée par le dispositif à vibrations. Une installation de ce type a été développée par Blajan et al (Figure I-12). Le matériau à charger glisse dans des canaux en zigzag mis en mouvements vibratoires sur les deux axes X et Y. Les oscillations du dispositif de charge sont contrôlées par un moteur électrique et un système bielle-manivelle. Les particules à charger interagissent premièrement avec les parois du dispositif. En changeant la vitesse du moteur, il est possible de modifier le mouvement oscillant du dispositif de charge [23].

Figure I-12 : Dispositif à vibrations; 1: tubes de charge; 2: sortie des particules chargées; 3:

glissière; 4: support; 5: bielle; 6: manivelle; 7: moteur électrique; R: rayon; X, Y, Z: direction du mouvement des particules ; L tube: longueur du tube.

I-7 Forces exercées sur les matériaux granulaires

Trois types des forces inter particulaires agissent sur les matériaux granulaires lors du frottement ou du simple contact :

A. Les forces de pesanteur B. Les forces électrostatiques C. Les forces aérodynamiques

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a- Forces de pesanteur

Le poids d'un objet est égal à la force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre. Cette force de pesanteur est caractérisée par une origine : le centre de gravité G (ou centre d'inertie) du corps, une direction : la verticale passant par G, un sens : vers le bas et une valeur P = m.g avec P en Newton (N), m en kg et g= 9.81 N.kg-1 [29].

b- Forces de London-Van der Waals

Il s'agit de forces attractives (figure I-13). Si on considère deux atomes distants de r, la force d'interaction F [N] entre moments dipolaires instantanés [30] s’écrit :

Où est la polarisabilité de l'atome, son énergie d'ionisation.

La figure I-14 montre la force d'interaction entre deux sphères matérielles : c’est la somme de toutes les forces d'interaction de London-Van der Waals relatives aux paires constituées d'un atome dans chaque sphère.

Le calcul réalisé par Hamaker, [31] pour 2 sphères identiques de rayon séparées de (distance centre à centre) et baignant dans le vide conduit à :

Où est la constante de Hamaker.

Figure I-13 : Force attractive de London-Van der Waals

Figure I-14 : Force attractive de London-Van der Waals entre deux sphères

matérielles

(I-1)

(24)

18 Les forces de London Van der Waals ne sont significatives (pour le processus d'agrégation) que si la distance inter-particulaire (r-2R) est inférieure à 100 nm ; l'équation donnée par Hamaker est donc suffisante. Une approximation de cette dernière, obtenue pour , est largement utilisée :

c- Forces de Coulomb

Charles-Augustin de Coulomb découvre expérimentalement l’expression de la force électrique qui s’exerce sur deux charges électriques immobiles disposées sur des sphères. Coulomb réalise que le module de la force électrique dépend des paramètres suivants :

 La force électrique est proportionnelle au produit des deux charges q1 et q2 en

attraction ou en répulsion.

 La force électrique est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges 1/r2.

 La force électrique est proportionnelle à une constante k afin d’évaluer la force électrique en newton.

L’expression scalaire de la loi de Coulomb en électrostatique est donnée par : [32]:

Où :

Fe : Force électrique en newton (N) ;

q1 : première charge qui applique la force électrique sur la deuxième charge en coulomb (C) ;

q2 : deuxième charge qui applique la force électrique sur la première charge en coulomb (C) ;

r : distance entre les deux charges ponctuelles en mètre (m) :

k : Constante de la loi de Coulomb, k = = 9.109Nm2/C2 et ε0 étant la permittivité du

vide. (I-3) (I-4) r q1 q2 Fe (1-2) Fe (2-1) r q1 q2 Fe (1-2) Fe (2-1) ( a) ( b)

(25)

19 d- Forces aérodynamiques

Afin de bien étudier les mouvements des particules dans les procédés de chargement triboélectrique, il va falloir maîtriser les forces aérodynamiques agissant sur ces particules.

Le mouvement d’une particule chargée dans un champ électrostatique a lieu sous l’action de la force suivante :

Où :

Fi : la force d’inertie

Fel : la force exercée par un champ électrique uniforme d’intensité E0 sur une particule

chargée, de charge Q, située à une distance x de l’électrode. Fa : la force aérodynamique et Fg la force gravitationnelle.

La force d’inertie Fi s’exprime par la relation :

Où :

v : la vitesse de particule

K ρ: coefficient de forme [33] (pour les particules sphériques K ρ = 0,5), W : le volume d’une particule ayant la densité ρs

ρ : densité de l’air.

La force aérodynamique s’écrit :

Cd étant en fonction du nombre du Reynolds :

V : vitesse du fluide [m/s] ; L : dimension du fluide [m] ; vi : viscosité du fluide [m2/s] ;

Figure I-15: Force de coulomb entre deux sphères chargées

(a) : attraction, charges de signes contraires (q1q2<0)

(b) : répulsion, charges de signes semblables (q1q2>0)

(I-5)

(I-6)

(26)

20 vr : vitesse relative d’une particule dans l’air.

La force de frottement avec l’air est dépendante de la vitesse, cette dépendance peut être très compliquée, et seulement les cas spéciaux peuvent être traités analytiquement.

I-8 Séparateurs tribo-électrostatiques

La séparation Tribo-électrostatique implique le chargement de particules par contact ou frottement avec les autres particules ou avec une surface du contact. Alors les particules chargées traversent un champ électrique qui sépare ces particules d'après la magnitude et le signe de leur charge [22]. À cause des caractéristiques physiques différentes, le signe de charge acquise par les particules est différent. Ceci permet la séparation des produits.

Le tri des matériaux granulaires et de particules fines dans les séparateurs tribo-électrostatiques est produit par les forces qui agissent sur les particules qui sont déjà chargées.

Multiples installations destinées à la séparation électrostatique des matériaux granulaires plastiques par la tribo-électrification ont été réalisées. Le commun entre ces dispositifs est la nécessité d’avoir deux parties successives, la première celle de chargement triboélectrique des granules et même des particules fines, et l’autre destinée à leur séparation. On distingue les prototypes suivants :

a- Séparateur triboélectrique à chute libre

Les particules granulaire sont chargées par cylindre tournant où les particules entrent d’un côté du tambour et sortent de l’autre côté totalement chargées. A l’intérieur les particules sont en collision quand le tambour tourne à une certaine vitesse comme l’explique la figure I-15 qui résume le fonctionnement d’un séparateur triboélectrique à cylindre tournant:

Un flux de particules plastiques propre, sec et broyé est introduit dans un tambour rotatif. La rotation du tambour provoque la culbute des particules qui se chargent par contacts répétés : c’est le phénomène de triboélectricité.

Les particules chargées entrent ensuite dans un fort champ électrique horizontal produit entre deux électrodes soumises à haute tension de polarité opposée. Les particules

(27)

21 chargées sont alors déviées dans leur chute suite au champ intense qu’elles traversent et chaque type de matériau prend un coté dans les bacs de récupération.

Les granules chargées positivement sont attirées vers l’électrode négative, et contrairement, les granules chargées négativement sont attirées vers l’électrode positive. Les produits purifiés tombent près de l’électrode positive et de l’électrode négative, alors que les produits neutres tombent dans le bac du milieu [27].

Figure I-16 : Dispositif de séparation à chute libre avec chargement triboélectrique par cylindre

tournant.

Particules à charges négatives Tambour rotatif Electrode négative H.T. (-) Electrode positive H.T. (+) Entonnoir Bacs collecteurs Particules neutres Flux entrant

(28)

22 Figure I-17: Photographie de dispositif de Séparation Triboélectrique à chute libre « Séparateur

triboélectrique des matériaux plastiques » (Réalisé au laboratoire IRECOM de l’université Sidi Bel Abbes) [41].

b- Séparateur triboélectrique à tapis roulant

Le schéma de la (Figure I-17) explique le fonctionnement d’un séparateur triboélectrique à tapis roulant TBS (Tribocharged Belt Separator). Les particules sont tribo-électrisées par un dispositif de chargement tribo-électrostatique , puis elles tombent sur un tapis roulant et sont transportées vers la région de séparation. Une électrode haute tension attire les particules d’une polarité et repousse les particules de polarité opposée grâce aux forces électriques d’attraction et de répulsion, permettant ainsi la séparation [27] .

(29)

23 c- Séparateur tribo-aéro-électrostatique à tambours transporteurs

Ce dispositif consacré à la séparation des particules fines. En premier lieu les particules sont disposées dans la chambre de fluidisation. Elles entrent en collisions entre elles et entre les parois de la chambre sous l'effet de l'air comprimé du souffleur, ce qui provoque leur chargement. Donc elles acquièrent deux charges de signe opposé.

Ces particules sont soumises à un champ électrique intense, produit entre les deux électrodes métalliques ayant une forme cylindrique, reliées à deux sources de haute tension ayant des polarités opposées. Les particules chargées négativement sont attirées vers l’électrode positive et vis-versa.

Les cylindres métalliques servent en même temps d’électrodes et de moyen de transport des particules chargées et séparée vers la zone de récupération.

d- Séparateur tribo-aéro-électrostatique à bandes transporteuses

Les électrodes qui vont attirer la matière granulaire fluidisée sont deux bandes transporteuses du tapis roulant, elles sont à base d’une matière conductrice (Figure I-19). Elles s’appuient sur des tambours isolants. Leur entrainement est assuré par des moteurs triphasés alternatifs, commandés par des variateurs de fréquence. Les particules chargées collent sur la

Figure I-19 : Représentation schématique d’un séparateur tribo-aéro-électrostatique à

(30)

24 surface des bandes contrairement polarisées, pour être transportées vers la zone de récupération [27].

Figure I-20 : Représentation schématique d’un séparateur tribo-aéro-électrostatique à bandes

transporteur [27]. e- Séparateur triboélectrique à deux disques

Le schéma de la (Figure I-20) représente le séparateur triboélectrique à disques tournants, consacrée à la séparation des particules fines.

Le chargement de particules est assuré par l'injection de l'air comprimé à l'aide de souffleur dans la chambre de fluidisation, et par la suite elles seront séparées et collectées par les deux disques reliés aux sources de haute tension de polarité opposée.

Figure I-21 : Photographie et schéma d’un séparateur triboélectrique à disques tournants réalisé

au laboratoire IRECOM de Sidi Bel-Abbes [34].

Moteur

HT (+) HT (-)

(31)

25 Conclusion

L’objectif de ce chapitre est de définir et présenter des notions théoriques sur l'effet tribo-électrique et la tribo-électrisation des particules, ainsi que quelques types de séparateurs tribo-électriques existant et montrer leur principe de fonctionnement. Il existe une multitude de dispositifs de charge triboélectrique déjà réalisés aux laboratoires APELEC et IRECOM au niveau de l'université de Sidi Bel-Abbés (cylindre rotatif, lit fluidisé…), dont l’efficacité a déjà été prouvée. Les études réalisées par les chercheurs sur des modèles de laboratoires montrent que le lit fluidisé pourrait représenter une solution fiable pour la charge tribo-électrique des matériaux plastiques granulaires et particules fines. Ce mode sera utilisé pour le chargement des particules fines dans notre dispositif de séparation triboélectrique qui fera l’objet du chapitre suivant.

(32)

26

Chapitre II MATERIELS ET METHODES

Introduction

Par ailleurs, de nos jours, les poudres et les particules micronisées sont largement utilisées comme matières premières, ou produits intermédiaires, voire comme produit final. Lorsque la poudre est mise en mouvement dans un processus industriel quelconque, les surfaces des particules deviennent chargées tribo-électriquement et divers phénomènes se produisent, comme par exemple l’adhésion aux parois des particules chargées dans les canalisations de transport pneumatique ou dans des lits fluidisés grâce aux forces électrostatiques [35-36]. D’un autre côté, paradoxalement ces forces électrostatiques peuvent être utilisées pour contrôler le mouvement des particules chargées. Ainsi, de nombreuses applications électrostatiques mettant en jeu des particules micronisées ont été développées, telles que le poudrage, la précipitation et la séparation [37].

La séparation électrostatique est un système multifactoriel difficile à contrôler, plusieurs facteurs peuvent influer son efficacité. Le présent chapitre est une présentation du nouveau dispositif de séparation tribo-électrostatique de particules micronisées à électrodes plaques en mouvement « va-et-vient », immergées dans un lit fluidisé qui contient le matériau micronisé à séparer, en premier lieu. Le processus est étudié en mouvement vertical puis il a été modifié en mouvement horizontal pour faciliter la récupération des produits séparés et développer le système de récupération prochainement.

Ce chapitre est répartit en trois sections. La première concerne la description et la définition des caractéristiques des différents composants, ainsi que les éléments utilisés pour les mesures et la procédure expérimentale afin de déterminer l'influence des différents paramètres sur le processus. La seconde section est réservée aux différentes techniques de mesure employées et enfin nous présentons à la troisième section un aperçu sur la méthode des plans d’expérience, outils incontournables pour tout expérimentateur.

(33)

Chapitre II Matériel et Méthodes

27

II-1 Description du séparateur triboélectrique à électrodes plaques

Un nouveau séparateur Tribo-électrostatique de particules micronisées à électrodes plaques en mouvement « va-et-vient » est réalisé au sein du Laboratoire APELEC de l’université de Sidi Bel Abbés dont le procédé de chargement triboélectrique est à base d’un lit fluidisé.

Ce dispositif offre la possibilité de varier plusieurs paramètres afin de permettre l’étude de l’influence de chacun d’eux sur le rendement de la séparation en mouvement vertical et horizontal, ce qui fait de lui un banc d’essai de laboratoire important.

Pour atteindre une séparation d’un mélange composé de particules fines isolantes de taille micronisée, en premier temps il est nécessaire de charger par un dispositif d’acquisition de charge électrique par effet triboélectrique en utilisant un lit fluidisé, puis la seconde étape de séparation est obtenu à l’aide du champ électrique appliqué entre deux électrodes plaques parallèles par l’intermédiaire des sources de haute tension comme le montre le schéma descriptif global de système pour les deux mouvements (Figure II-1) et (Figure II-2).

Le dispositif est constitué des éléments suivants : 1. Moteur électrique

2. Système bielle-manivelle 3. Deux électrodes.

4. Deux générateurs Haute Tension. 5. Lit fluidisé

(34)

28

Figure II-1-a : Schéma descriptif global de séparateur à deux électrodes plaques en mouvement

vertical.

(35)

29

Figure II-2-a : Schéma descriptif global de séparateur à deux électrodes plaques en

mouvement horizontal.

(36)

30

a- Moteur électrique

Un moteur électrique triphasé, tourne à une vitesse 1500 tr/min. En utilisant un réducteur pour limiter la vitesse de rotation à 50 tr/min "adaptée " au système de séparation, la vitesse de rotation peut facilement varier en agissant sur la tension d'alimentation de la source triphasée (figure II-3).

Figure II-3: Moteur électrique.

b- Système bielle manivelle

Le système bielle-manivelle a un rôle très important qui est la transformation d’un mouvement rotatif en un mouvement de translation (Figure II-4). La distance de translation est en fonction du diamètre de disque qui est de 17.5 cm et relie l’axe du réducteur avec la manivelle, qui permet d'introduire les électrodes à l'intérieur de la chambre de fluidisation.

(37)

31

c- Electrodes haute tension

Les électrodes sont des plaques métalliques de dimension 20 x 30 cm2 et sont fixées à un système bielle-manivelle entrainé par un moteurs triphasé Le système d’électrodes (figure II-5) destiné à créer le champ électrostatique est alimenté par deux sources haute tension, afin de collecter les particules et faire la séparation des produits composant le mélange.

Figure II-5: Schéma descriptif des électrodes.

d- Lit fluidisé

Le dispositif (figure II-6) de dimensions 26x26x28 cm3 est composé de deux parties :

1) une chambre supérieure dont les quatre parois transparent en plexi glace où on met les produits pour le chargement par l’injection d’air afin d’être collectés aux électrodes haute tension.

2) une chambre inférieure équipée d’un diffuseur d’air pour l’uniformisation, a pour rôle la tribo-électrisation des particules dans la chambre supérieure par la mise en collision.

(38)

32

II-2

Autres accessoires

a- Source Haute Tension

Les deux électrodes sont toutes deux reliées à deux sources de haute tension, d’où la nécessité de disposer de grandes valeurs de la tension pour créer un champ électrique suffisamment fort généré par les deux générateurs haute tension réglable variant entre 0 et ± 60kV et de polarité opposées (figure II-7).

Figure II-7: Sources Haute Tension pour l’alimentation des électrodes du séparateur.

b- Souffleur

Le rôle du souffleur (Figure II-8) est l'injection de l'air comprimé dans la chambre de fluidisation à travers le répartiteur d'air. Un mouvement d’air aléatoire se crée à l’intérieur de la chambre, ce qui donne une tribo-électrisation des poudres. Le chargement des particules fines se fait grâce à la collision entre elles, entre les particules et les parois, en variant le débit d’air de fluidisation du souffleur à l’aide d’un variateur de fréquence (Figure II-9).

(39)

33

c- Électromètre

Un électromètre est un multimètre de marque (Keithley 6514) figure II-10 capable de mesurer des tensions, en consommant un courant très faible grâce à une résistance d’entrée très grande (> 1015 Ω) ;

 des courants très faibles (< 10–9 A et jusqu’à 10–17 A);

 des charges électriques jusqu’à 10–15 C ou moins.

Le circuit d’entrée d’un électromètre est généralement, un amplificateur opérationnel à transistors à effet de champ (FET), qui présente, en plus de la résistance d’entrée très grande, un courant de fuite et une tension de décalage (offset ) très faibles.

Figure II-10: Photographie de l’électromètre utilisé.

(40)

34

d- Balance

On a mesuré la masse des poudres récupérées dans chaque compartiment durant toutes les expériences à l’aide d’une balance électronique d’une résolution de 0.1g (Figure II-11).

.Figure II-11 : Balance électronique de laboratoire.

e- Thermo-hygromètre

La mesure de la valeur de l’humidité relative (RH%) est pris avant chaque série d’expériences. On utilise un thermo-hygromètre numérique Figure II-12, de marque WaveTeck, qui permet également de mesurer la température.

Figure II-12: Thermo hygromètre numérique f- Tachymètre

La mesure de la vitesse de rotation de la roue d’entrainement a été relevée sur l’arbre du réducteur par un tachymètre qui donne le nombre de tours par minute (tr /min) (Figure II-13).

(41)

35

Figure II-13: Photographie du tachymètre utilisé.

g- Cage de faraday

Une cage de Faraday est une enceinte utilisée pour protéger des nuisances électriques et électromagnétiques extérieures ou inversement empêcher un appareillage de polluer son environnement. Elle est constituée de deux cylindres (ou cubes) concentriques séparés par un isolant. Le cylindre extérieur est relié à la terre qui fait écran, non seulement pour éviter que les charges extérieures ne soient mesurées mais aussi pour réduire les perturbations électriques extérieures et le second cylindre est relié à l’appareil de mesure notamment un électromètre ou un capteur pour la mesure des charges électriques d’un produit considéré.

Pour mesurer la charge électrique d’un échantillon, il suffit de l’introduire dans le cylindre intérieur Figure II-14, en évitant tout contact prématuré, celui-ci étant relié à un dispositif de mesure (voltmètre). On mesure alors une charge globale, somme algébrique de toutes celles que porte l’échantillon, donnée par la relation suivante :

(42)

36

Figure II-14: Schéma de principe de cylindre de Faraday.

h- Capteur de charge PASCO

PASCO figure II-15, c’est un logiciel (instrument de mesure) qui relie en même temps la cage de Faraday et le microordinateur. Il permet d'évaluer la valeur d'une charge électrique. Le capteur est utilisé pour mesurer la charge acquise par le mélange binaire des particules fines de PVC blanc et gris qui sont exposé dans la cage de faraday. Le signe et l'amplitude de la charge est affiché directement sur ordinateur.

Figure II-15: Cage de faraday reliée avec un ordinateur.

II-3

Caractérisation des produits utilisés

Le mélange de matériaux utilisé dans notre étude comprend deux types de PVC : un PVC de couleur Blanche et PVC de couleur Grise broyés dans une usine algérienne de fabrication de tuyaux en plastique au niveau de Sidi Bel Abbes. La taille des particules est comprise entre 100 et 150 µm (Fig II-16).

(43)

37

Le poly (chlorure de vinyle), dont le symbole international PVC découle de l’appellation anglaise « Poly VinylChloride », est une matière thermoplastique de synthèse composée de carbone, d’hydrogène et de chlore. Le carbone et l’hydrogène proviennent du pétrole (43 %) tandis que le chlore est originaire du sel (57 %). La production industrielle du PVC remonte au début des années 1930.

Le PVC est un plastique très présent dans notre vie quotidienne car l’ensemble de ses propriétés mécaniques et physiques et son aptitude à être modifié selon les besoins en font un matériau adapté à de multiples usages.

Le PVC est présent dans tous les secteurs économiques : bâtiment (57 % pour l’Union européenne), emballage, électricité, électronique, biens de consommation, santé, transports. C’est la troisième matière plastique employée dans le monde (20 % de la consommation mondiale totale des plastiques, soit de l’ordre de 28 millions de tonnes) figure II-17.

Figure II-17: Observation par microscope électronique à balayage MEB pour les échantillonnes :A)

PVC blanc ;B) PVC gris

Figure II-16 :A) PVC blanc, B) PVC gris.

B

A

(44)

38

II-4

Principe de fonctionnement du dispositif

Un mélange binaire de produit isolant composé de PVC blanc et de PVC gris est introduit en premier lieu dans la chambre de chargement après mesure de leur masse par une balance. L’injection de l'air comprimé grâce à un souffleur permet aux particules d’entrer en collision répétée entre particules de même nature et particules de nature différente sous l'effet de courant d’air de fluidisation ascendant. Les particules seront chargées électriquement d’une manière brève par frottement dans le lit fluidisé, où elles acquièrent deux charges de signes opposés.

Les mécanismes principaux de charge sont le plus souvent les collisions particules-particules, mais aussi la charge peut apparaitre par des collisions avec les parois en plexiglace de la chambre de séparation, ou par décharge couronne créée par les plaques.

L'alimentation du moteur triphasé permet d'entrainer le système bielle manivelle qui a pour rôle d'immerger les électrodes à l'intérieur du lit fluidisé avec un mouvement de va-et-vient pour collecter les deux produits.

Les particules qui sont chargées électriquement avec des charges de polarité différente sont séparées sous l'action de la force électrique exercée par le champ électrostatique généré entre les deux électrodes, qui sont reliées à deux générateurs de haute tension continue ayant des polarités opposées, positive et négative.

L’électrode positive attire le produit chargé négativement, par contre les particules chargées positivement sont attirées par l'électrode reliée à la source haute tension négative et resteront collées à celles-ci.

Le mouvement de bille manivelle permet d’arrêter le système pour que les électrodes soit à l’extérieur de la chambre du lit fluidisé. Enfin la récupération des deux produits séparés est faite manuellement. La quantité de masse récupérée sera déterminée en utilisant une balance électronique.

II-5 Mécanisme de charge triboélectrique

La plus importante source de charges électrostatiques reste le phénomène de charge triboélectrique.

Lorsque les particules sont agitées par le dispositif de chargement, il se produit trois types de collisions permettant le chargement triboélectrique figure II-18 :

(45)

39

Cas A : Collisions entre particules et parois du dispositif.

Cas B : Collisions entre particules et particules de matières différentes. Cas C : Collisions entre particules de même nature.

Le signe et la valeur de la charge acquise par chaque particule sont déterminés par la combinaison de l’action de ces mécanismes.

Figure II-18 Mécanisme de charge électrique.

II-6

Procédure expérimentale

Le produit micronisé utilisé pour la présente étude comprend deux types de PVC, originaire de déchets plastiques traités par un fabricant de PVC industriel de tuyaux en plastique, Groupe CHIALI, Sidi-Bel-Abbès, Algérie: PVC de couleur blanche (PVCb) utilisé pour fabriquer des tuyaux en PVC et PVC recyclé (broyé) de couleur grise (PVCg).

Les matières micronisées de PVCg ont été obtenues par broyage des tuyaux usagés en PVC. Un tamis vibrant a été utilisé pour récupérer les fines particules de granulométrie moyenne de 200 µm. Les expériences ont été effectuées sur des échantillons de masse totale 2000 g constitués de 50% de PVC blanc et 50% de PVC gris,avec une analyse expérimentale paramétrique du nouveau séparateur tribo- électrostatique, utilisant deux électrodes plaques parallèles reliées à deux alimentations de haute tension continue de polarités opposées. L’étude expérimentale est effectuée en deux mouvements verticaux et horizontaux alternatifs « va-et-vient » à l’intérieur d’un lit fluidisé de particules micronisées. Pour ce dispositif, les opérations de charge triboélectrique et de séparation se produisent simultanément et ce dans la même zone.

Cas A

Cas B

Cas C

PVC

Paroi du cylindre tournant PVC

PEHD PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD PEHD Flux Entrant des particules

(46)

40

Le dispositif est constitué de deux électrodes métalliques qui sont des plaques verticales et parallèles de dimensions 30 x 20 cm2, reliées à deux alimentations de haute tension continue de polarités opposées (SPELLMAN) et qui sont entrainées dans un mouvement alternatif vertical « va-et-vient » à l’aide d’un dispositif à système « bille-manivelle », Par ce mouvement, les deux électrodes plongent dans un lit fluidisé constitué par un mélange de particules micronisées de PVC blanc et de PVC gris d’une dimension micrométrique moyenne de 100 µm (Fig II-19).

Le PVC blanc est du PVC pur tandis que le PVC gris est obtenu en y ajoutant du carbone.